（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式linux的数字荧光示波器监控系统软件平台的研究与设计.pdf

摘要 摘要 基于嵌入式l i n u x 的数字荧光示波器软件平台的研究与开发 近年来，高速、精密的数字设计和复杂的调制方法对观察波形的示波器提出了更高的挑战，传 统的示波器已经很难满足需要。数字荧光示波器( d p o ，d i 【g i h a lp h o s p h o r o s c i l l o s c o p e s ) 是最新一代 示波器，它结合了第一代模拟实时示波器( a r t ，a n a l o gr e a l - t i m eo s c i l l o s c o p e ) 和第二代数字存 储示波器( d s o ，d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ) 的优点，不仅具有d s o 的波形存储、波形分析、高 级触发等优点，同时还具有a r t 的明暗显示和实时显示的特性。d p o 采用专用硬件电路进行采集波 形的实时数字荧光处理，大大提高了波形捕获更新率和显示效果，可以满足现代高速、复杂动态调 制信号的观测要求。本课题的主要任务是设计开发模拟带宽为i o o m h z ，最高实时采样率为i g s p s 的d p o 的软件平台。 a r m 处理器的广泛应用及嵌入式操作系统的发展，使数字示波器的设计有了新的思路。本文结 合a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 和嵌入式l i n u x 操作系统的结构及特点，给出了以$ 3 c 2 4 1 0 为核心、以a r m l i n u x 和m i n i g u l 为平台的数字荧光示波器监控软件的设计方案与实现结果。 论文首先介绍了示波器技术的发展，并对d p o 的工作原理作了分析和介绍，论文从设计的角度 出发，根据项目中给出的各项功能指标，给出了d p o 系统的总体架构和本课题的主要任务。接着根 据d p o 系统的需求，通过分析系统要实现的功能，给出了d p o 系统的总体设计方案和监控系统的具 体设计方案，并分析了实现的技术难点。然后根据监控系统的设计方案，按照软件开发规范，先进 行了软件的需求分析，然后根据需求分析又给出了系统详细的需求分析和软件平台的设计。最后根 据软件平台的设计方案，结合l i n u x 操作系统的一些机制和调度策略，对设计的关键点做了进一步的 研究分析和实现，并给出了d p o 系统软件平台已经完成的成果。经实践表明，论文中提出的解决方 案能够满足d p o 系统的需求，已经实现了大部分的基本功能。最后论文总结了本课题设计的d p o 软件平台的开发完成情况和下一步的工作。 关键词数字荧光示波器( d p o ) s 3 c 2 4 1 0a r m l i n u xm i n i g u i 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eh i g h - s p e e dd i g i t a ld e s i g na n dt h ec o m p l i c a t e dm o d u l a t i o nm e t h o d sp u tab i g c h a l l e n g et ot h eo s c i l l o s c o p ew h i c hi su s e df o rw a v e f o r mo b s e r v a t i o n b o t ht h ef i r s tg e n e r a t i o n o s c i l l o 辩0 l 地a l o gr e a l - t i m eo s c i l l o s c o p e ( a r t ) a n dt h es e c o n dg e n e r a t i o no s c i l i o s c o i m - - d i g i t a l s t o r a g eo s c i l l o s c o p e ( d s o ) a h e l p l e s st ot h i sc h a l l e n g e t h e r e f o r et h et h i r dg e n e r a t i o n o s c i l l o s c 叩卜d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e ( d p o ) e m e r g e da st h et i m e sr e q u i r e d d p oc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so f a r ta n dd s o i th a sn o to n l ya l lt h ea d v a n t a g e so f d s o - - - d a t as t o r a g e ，a d v a n c e dt r i g g e r i n g f u n c t i o ne t c ，b u ta l s ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa r t _ l i g h ta n ds h a d ed i s p l a y , r e a l - t i m er e s p o n s i n g h e n c e ，t h e d p om a k e st h ed i g i t a lo s c i l l o s c o p eb e c o m ea na l l - p u r p o s ew a v e f o r ma c q u i r i n gi n s t r u m e n t t h es u m m a r y o f r e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n go f t h ed p om o n i t o r i n gs o f t w a r es y s t e mi sg i v e ni nt h i st h e s i s t h ed p o i n t r o d u c e di nt h i st h e s i sc a ra c h i e v e1 0 0 m h za n a l o gb a n d w i d t ha n d1 g s p sr e a l t i m es a m p l i n gr a t e t h ea r m p r o c e s s o ra n dt h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，w h i c ha l eb e i n ga p p l i e di nm a n y f i e l d sa n d d e v e l o p i n gr a p i d l y ，p r o v i d ean e ww a yf o ro s c i l l o s c o p e s sd e s i g n t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ed p o m o n i t e r i n gs o f t w a r ea r eb a s e do na r mc p u ( $ 3 c 2 4 1 0 ) ，a r m - l i n u xa n dm i n i g u l $ 3 c 2 4 1 0i st h eg o r e o ft h ed p om o n i t e r i n gs y s t e m ，a n da r m - l i n u xa n dm i n i g u lp r o v i d et h es o h , v a l ee n v i r o n m e n t i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fo s c i l l o s c o p ea n dt h ep r i n c i p l eo fd p oa g ei n t r o d u c e df i r s t l y s e c o n d l y , t h ec o m p l e t es o l u t i o no fd p os y s t e ma n dt h ed e s i g no fd p om o n i t o r i n gs y s t e ma r ep r o p o s e d f r o mas t a r to fd e s i g n i n gp o i n to fv i e w t h es o l u t i o ni sg i v e nb ya n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s t h e nt l l et o t a ld e s i g no ft h ed p 0s y s t e ma n dt h ed e t a i l e ds o f t w a r es o l u t i o no ft h ed p om o n i t o r i n gs y s t e m a r ed i s c u s s e dw h i c hc o m b i n e s 、玩也t h ep e r f o r m a n c eo fd p o a n dt h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e sa r ea n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h es o f t w a r ep l a t f o r m sd e t a i l e dd e s i g na n dr e s e a r c hi si n t r o d u c e db a s e do nt h es o r w a r e d e v e l o p m e n tc r i t e r i o n a n dt h e n ，b a s e do nt h es o l u t i o no ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h ek e yp o i n t so ft h e m o n i t o r i n gs o a l e s 翻赞e a 曲a n dd e v e l o p m e n ta r cd i s c u s s e dc o m b i n i n g 谢t ht h em e c h a n i s ma n d s c h e d u l e ro fl i n u xo s f i n a l l yt h ed e v e l o p i n gr e s u l to ft h ed p om o n i t o r i n gs o f t w a r ei sg i v e n t h es o l u t i o n g i v e ni nt h i st h e s i sc a r lw o r k e dw e l li nd p os y s t e mp r o v e db yp r a c t i c e a tt h ee n do ft h et h e s i st h e s u m m e r ya n dt h ef u r t h e rd e v e l o p i n gp l a no f t h ep r o j e c ta r ei n t r o d u c e da tt h ee n do f t h et h e s i s k e yw o r d s ：d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e s ( d p o ) $ 3 c 2 4 1 0a r m l i n u xm i n i g u i 缩略语表 缩略语表 a r m ：a d v a n c e di u s cm a c h i n e s a r t ：a n a l o gr e a l - t i m eo s d l l o s c o p c 模拟实时示波器 a s i c ：a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e r g r a t e dc i r c u i t s 专用集成电路 d s o ：d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e 数字存储示波器 d p o ：d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e s 数字荧光示波器 d p x ：d i g i t a lp h o s p h o re x e c u t i o n 数字荧光处理 f p g a ：f i e l dp r o g r a m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列 g a l ：g r a p h i c sa p p l i c a t i o nl a y e r 图形应用层 g d i ：g r a p h i c sd e v i c ei n t e r f a c e 图形设备接口 g u i ：g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e 图形用户接口 l 虬：i n t e r f a c ea p p l i c a t i o nl a y e r 接口应用层 i i c ：i n t e r - i n t e g r a t e d - c i r c u i t 内部i c 总线 m m u ：m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t 存储器管理单元 m t d ：m e m o r yt e c h n o l o g yd e v i c e 内存技术设备 s m p ：s y m m e t r i cm u l t i - p r o c e s s i n g 对称多处理结构 s p i ：s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 串行外围接口 t f t ：t h i nf i l mt r a n s i s t o r 薄膜场效应晶体管 u s b ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s 通用串行总线 u i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：期： 世刁 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：之叠饿导师签名：童丛生日期：赳 第一章绪论 1 1 示波器的发展 第一章绪论 示波器是工程技术人员在科研工作中最常用到的一种电子测量仪器，它的主要功能是精确复现 作为时间函数的信号电压波形。根据示波器内部采用技术的不同，可以分为模拟实时示波器( a n a l o g r e a l - t i m eo s c i l l o s c o p e ) 【1 1 和数字存储示波器d s o ( d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ) 两大类。 模拟实时示波器具有分辨率高、响应快、价格低廉等优点，在电子技术领域曾经得到广泛的应 用。但是由于模拟示波器内部所采用的模拟技术的局限性，其缺点也是很明显的，如体积庞大，不 能观察触发前的信号波形，对慢速信号、单次或偶尔出现的高速信号，难以观察和分析等。在很多 测量场合下，我们不仅要对所测信号进行定性分析，还要进行定量的分析，如需要知道信号的周期、 频率、峰峰值等，模拟示波器要完成这样的功能，就需要增加专用电路，而使得费用大大增加。 随着数字技术理论的日益成熟和数字电路、大规模集成电路以及微处理器技术的飞速发展，尤 其是高速模，数( a d ) 转换器和半导体存储器( r a m ) 的发展，一种新型的示波器一一数字存储示 波器d s o 诞生并迅速发展起来。它与传统模拟示波器相比，具有以下两个突出的优点： 1 ) 能够捕获、观测非重复的瞬态单次脉冲信号、随机信号和缓慢变化的信号，并能将被测信号长 久的保存下来； 2 ) 具有负延迟触发，这是数字存储示波器所特有的功能，可以观测触发信号到来之前的信号波形 这个功能在电路的故障诊断和电子器件的性能检测中尤为重要。 但是d s o 在测量具有低频调制的高频信号时，存在无法克服的混叠失真问题。这是由其架构决 定的，图i 1 给出了d s o 的平台架构。在d s o 中，采样存储显示这一过程是串行的。换句话说，只 有当d s o 处理好了一帧数据后才开始处理下一帧，其采样过程所占的时间占整个数据帧处理时闯的 比例是很小的，大部分时间都花在处理获取的波形数据处理和显示上。图l - 2 给出了这一过程的说明： 图1 - 1d s o 的架构 东南人学硕士学位论文 图1 2d s o 的采集、处理显示 数字荧光示波器d p o ( d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e s ) 是t e k t r o n i x 公司新推出的一种示波器平 台，它具有数字存储示波器( d s o ) 的数据存储和先进触发功能的各种传统优点，同时具有模拟实 时示波器( a r t ，a n a l o gr e a lt i m e ) 的明暗显示和实时特性，能以数字形式产生显示效果优于模拟 实时示波器的亮度浙次变化的荧光效果。在避免二者不足方面，还有很大的改进。主要表现在1 2 j ： 1 ) 连续高速采样能力 通常d s o 因处理显示数据在显示两幅波形之间有一定毫秒级的停滞时间，即使采用了i n s t a v u 采样技术的d s o 这一时间也只能降低到微妙级( 可以参照图1 - 2 ) 。a r t 示波器在回扫时间内也 不能捕捉波形信息。而d p o 由于采取了并行的架构，克服了其它示波器存在的停滞时间问题 能始终以很高的采样率对几十万幅波形连续采样，图l - 3 给出了d p o 平台的采集显示处理。d p o 的采样率一般每秒有几个1 0 9 次，如此高的采样率允许示波器有更大的带宽。 ； m 门m 刀劢 1 m八八八 _ 剥h 引引h 齄瑗瑟瑾煞蘧鲢理经理 显示 _ 。显示，。，黑幂。乞显示，。，霾蕊， 图卜3d p o 平台的采集、显示处理 2 ) 快速波形捕获速率和超强显示能力 数字荧光显示技术的应用使d p o 能以不同的灰度或色彩同时显示信号的多幅图像。d p o 每秒 钟捕获的波形数可以高达到几十万帧，比一般的d s o 高几千倍甚至上万倍。这种快速波形捕获 速率结合高超的显示能力，使d p o 具有分析信号任何细节的性能。 图1 4 、l - 5 、l 石给出了三种平台的示波器在显示调频波时波形显示的区别，由图可以清楚的看到数 字荧光示波器具有模拟示波器的显示优点。同时由于采用了数字处理，又具备数字存储示波器的优 点。由图中可以看出d s o 在测量低频调制的高频信号时，会出现混叠失真现象，而d p o 则可以具有模 拟示波器的显示效果。 2 第一章绪论 图1 4 模拟实时示渡器显示的调频渡 囤i - 5d s o 显示的调额渡 图i 6 d p o 显示的调频波 1 2 数字荧光示波器的基本原理 数字荧光示被器的原理框图如图1 - 7 m 所示，核心部件是由专用集成电路( a s i c ) 构成的d p x 波 形成像处理器。 图i o 数字荧光示波器的原理框图 与d s o 一样，辅入信号首先经放大和a d 变换后得到信号的采样值，采样值经过d p x 被形 成像处理器的处理后形成一幅具有5 0 0 x 2 5 6 像素、包音波形三维信息( 即位置信息( x y ) ，额度 信息) 的完整波形图。在不间断捕获的情况下，d p x 成像处理器将叠加得到的波彤图象桢以每秒 3 0 - 5 0 帧的速度发送到l c d 显示器，从而实现“信号数字化- 图形化- 显示”这样一种波形显示方式。 与此同时微处理器咀并行方式执行自动测量及运算功能。 东南大学硕士学位论文 由于d p o 的数据采集和显示体系分别独立运行，使得示波器能够在处理显示所需数据的同时， 保持很高的波形捕获速率，这意味着示波器能不间断地捕捉波形的细节( 参考图1 - 3 ) d p x 由数据采集器和数字荧光器组成。它将光栅化功能( 即将波形数据图像化) 与快速波形捕 获速率有机地结合在一起，以5 0 0 x 2 5 6 整数阵列累积信号的信息，阵列中的每一个整数都代表d p o 显示中的一个像素，其数值的不同导致显示像点的亮度或色彩不同。随着信号不断地采样，这一阵 列也不断得以更新。但与d s o 不同，一个显示周期( 一幅波形图) 完成后，新显示周期的采样值并不 冲掉上次显示周期的数据，而是按一定的权值进行叠加，这样多幅波形图就可累积显示。当多幅波 形图叠加后，阵列中得到的各点的数据大小就不同，而该值的大小正反应了该点出现的频度信息。 因此，波形显示中会出现不同的亮度等级或色彩，重复出现频率最高的信号点其显示亮度最高，出 现频率低的其它波形信息会以较低亮度得到显示( 可以参看图1 6 ) 。 1 3 课题研究的背景和目的 d p o 功能强大，可以完成复杂信号的捕获、显示、分析，加上灵活的触发方式和自动数字测量 功能使其成为测量领域的佼佼者。泰克的t d s 3 0 0 0 系列采样率为1 2 5 5 g s s ，带宽为1 0 0 - 5 0 0 m h z ，t d s 5 0 0 0 7 0 0 0 系列的采样率为2 一4 g s s ，带宽为0 5 一- 2 g h z 。d p o 有这样优越的性 能，当然不会有低廉的价格。为充分发挥d p o 的性能，一般将d p o 用于复杂信号的检测。 1 ) 视频应用环境的信号检测 这类测量领域面对的是由快速脉冲组成的长“帧信号”。d s o 为了捕获整个信号的包络，只能 使用较慢的采样率，但较慢的采样率会因缺少波形数据而产生混叠失真；a r t 示波器可显示波 形轮廓，但不具备测量和分析功能，d p o 尤其适合对这类信号的检测。类似的信号如磁盘、光 盘等的读出信号。 2 ) 无线通讯设备中复杂数字调制信号的检测 这类信号的复杂程度表现为非周期性信号。a r t 。示波器上只能得到无法辨认的模模糊糊的一 条光带，d s o 因存储深度有限难以提供有价值的信息，此时可发挥d p o 的多幅波形捕获能力 3 ) 稀有事件重复频率的检测 这是d p o 的数字荧光技术带来的突出性能，通过观察多幅波形中稀有事件的显示亮度就可知其 在某段时间内出现的频度，必要时甚至可直接调出三维数据库中的波形数据进行详细统计 数字荧光示波器是随着数字集成电路技术的发展而出现的新型智能化示波器，已经成为电子测 量领域的基础测试仪器。随着新技术、新器件的发展，它正在向宽带化、模块化、多功能和网络化 的方向发展 4 1 。随着采集速率的提高，数字荧光示波器可以广泛应用于各种千兆以太网、光通讯等 测试领域l 卯。而低端的数字荧光示波器几乎可以应用于国民经济各个领域的通用测试，同时可广泛 应用于高校及职业学校的教学，为社会培养众多的后备人才 目前数字荧光示波器在中国的发展尚处于起步阶段，其市场全部被泰克，安捷伦等国外的大公 司占有。本论文课题来源于省科技成果转化项目，该项目主要是研制开发带宽1 0 0 m h z ，最高实时 4 第一章绪论 采样率为i g s l m 的数字荧光示波器目的是发展具有自主知识产权的数字荧光示波器：同时，为开 发高性能数字荧光示波器积累理论和实践经验，逐步缩小与国外的差距，最终赶超国外的测试技术。 本论文主要完成d p o 系统监控软件的设计、开发。监控系统软件的设计直接影响到仪器的测试 性能、操作使用的方便程度及其智能化程度。因此，本论文课题的研究在数字荧光示波器的研发中 占有很重要的地位 1 4 论文的组织结构和内容安排 第一章绪论论述了示波器技术的发展以及d p o 技术的原理和发展现状，给出了本课题研究的 深远意义。 第二章d p o 系统总体方案设计及监控系统的设计方案该章节主要针对d p o 系统的需求，给 出了d p o 系统的总体设计方案，同时以总体方案为背景给出了监控系统的方案设计。 第三章监控系统软件平台的设计该章节主要是根据数字荧光示波器的功能要求，对监控系统 的软件平台进行了详细的分析和设计，并给出了设计中难点的解决方案。 第四章监控系统软件实现该章节根据第三章给出的设计和解决方案给出了关键点的一些实 现，并给出实现的结果。 第五章结束语总结了本课题的主要完成功能，并对以后的工作做进一步的阐述。 5 东南大学硕士学位论文 第二章d p o 系统总体方案设计以及监控系统设计方案 2 1d p o 系统总体方案设计 2 1 1 系统功能和性能指标 l 、d p o 系统的主要功能包括； 波形的采集，存储； 采集的波形数据通过荧光处理模块( d v x ) 进行荧光处理； 波形的实时刷新和显示； 人机交互功能的实现； 波形的分析( 自动参数测量、光标测量、频谱分析等) ； 其它通信接口( 网口，u s b ，c f 卡等) ； 2 、d p o 系统的性能指标 本系统的主要性能指标是：双通道输入，模拟带宽l o o m h z ；单通道工作时，最高实时采样率 为1 g s p s ，双通道工作时，最高实时采样率为5 0 0 m s p s c h ；时基范围为2 n s 一- - 5 0 s d i v ；最大波形 捕获率为1 0 0 0 0 0 帧。波形显示采用6 4 0 4 8 0 彩色1 r i 呵液晶屏，刷新速率为3 0 帧秒。 2 1 2 总体方案设计 d p o 系统的关键是高数字化速率、高波形捕获率以及波形数据的实时荧光处理和显示。本课题 设计的d p o 系统整体架构如图2 1 所示，由前端模拟通道、数据采集存储模块、数字荧光处理模块、 触发系统、监控处理模块、显示及人机接口几大模块组成。待测信号首先通过前端模拟通道的调理， 然后经a d 采样转换为数字信号，信号数据送到数据荧光处理器，实时转换为5 0 0 2 5 6 像素、1 6 位色深的波形图像数据帧，以3 0 帧，秒的速度更新显示：同时，信号数据被存储在内存数据库中， 供用户回放以及进行波形参数测量、信号分析和处理、通信传输时使用 d p o 系统采用f p g a + a r m 的双核设计模式。f p g a 主要负责控制波形数据的采集、存储，数 字荧光处理模块作为一个独立的模块也在f p g a 中实现。a r m 处理器主要负责人机交互、波形的显 示刷新、波形分析和通信接口，是监控处理模块的核心。其中，数字荧光处理模块和触发系统的设 计采用了东南大学的二项专利技术：1 ) 一种数字荧光波形图像处理器的实现方法【6 】；2 ) 一种基于 有限状态机的示波器条件触发方法【7 1 。 6 第二章d p o 系统总体方案设计以及监控系统设计方案 图2 - 1d p o 系统总体组成框图 a r m 处理器在移植了嵌入式l i n u x 操作系统及m i n i g u i 图形系统的基础上，完成波形数据的刷新 显示，响应用户命令做相应的任务调度。a r m 和f p g a 之间的命令接口通过s p i l l ，与数字荧光处理 模块的数据传输采用d m a 方式，后面章节会给出详细的论述。 2 2 监控系统的总体设计 2 2 im c u 选型 为了实现d p o 系统的整机功能，要求监控模块的处理器不但具有较强的控制功能，丰富的接口 资源，还必须具有很强的数据处理能力，从而实现实时控制，采集数据的管理和处理，人机界面的 及时响应等。基于以上各个方面的综合考虑，d p o 系统中选用了广泛应用于工业智能控制领域中的 a r m 处理器。 a r m 嵌入式处理器是一种高性能，低功耗的r i s c 芯片。它由英国a r m ( a d v a n c e dr i s e m a c h i n e s ) 公司设计。世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于a r m 体系结构的通用芯片，或 在其专用芯片中嵌入a r m 的相关技术。a r m 的发展经历了很多不同的内核种类，目前流行主要有 a r m 7 、a r m 9 、a r m ll 等。对于a r m 核的选择，选择时主要考虑以下几方面的主要因素： 1 ) m m u 单元的选择，如果要使用w i n c e 或a r m - l i n u x 等操作系统以减少软件开发时间，就需 要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t ，s t r o n g a r m ，a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t 。 a rm 9 4 6 t 都带有m m u 功能【射。而a r m t t d m i 没有m m u ，不支持w i n d o w sc e 和大部分的l i n u x 。在 d p o 的监控系统中为了缩短开发周期，采用a r m l n u x 系统，因此选择的a r m 核需要带有m m u 管 理。 2 ) 系统时钟控制器，系统时钟决定了a r m 芯片的处理速度。a r m 7 的处理速度为0 9 m i p s m h z 。 常见的a r m 7 主时钟为2 0 m h z - 1 3 3 m h z l s l ，a r m 9 的处理速度为1 i m i p s m h z ，常见的a r m 9 的系统 主时钟为1 0 0 m h z - 2 3 3 m h z ，a r m l 0 最高可以达到7 0 0 m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片 只有一个主时钟频率，这样的芯片可能不能同时顾及u a r t 和音频时钟的准确性，如c i r r u sk 嚼c 的 7 东南大学硕士学位论文 e p 7 3 1 2 等；有的芯片内部时钟控制器可以分别为c p u 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功能部件提供 不同频率的时钟，如三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 x 等芯片。在d p o 的监控系统中，不仅需要为c p u 核，还需 要为d m a 控制器、u s b 、u a r t 、0 c 、s p i 等提供时钟频率。 3 ) u s b 接口，大多a r m 芯片内置有u s b 控制器，在d p o 系统中需要同时有u s bh o s t 和u s bs l a v e 控制器，这是产品的一个功能要求之一。 4 ) i o 数量，某些芯片供应商提供的说明书中，往往申明的是最大可能的g p i o 数量，但是有许 多引脚是和地址线、数据线、串口线等引脚复用的。这样在系统设计时需要计算实际可以使用的g p i o 数量。因为在d p o 监控系统中除了一些必要的专用控制接口，还需要一些普通的g p i o 作为外设与 a r m 通信交互的握手。这样在选用芯片的时候就需要明确接口是否够用。 5 ) 中断控制器，a r m 核只提供快速中断( f i q ) 和标准中断( 1 r q ) 两个中断向量。但各个半导体厂 家在设计芯片时加入了自己不同的中断控制器，以便支持诸如串行口、外部中断、时钟中断等硬件 中断。外部中断控制是选择芯片必须考虑的重要因素，合理的外部中断设计可以很大程度的减少任 务调度的工作量。例如p h i l i p s 公司的s a a 7 7 5 0 ，所有g p i o 都可以设置成f i q 或i r q ，并且可以选择 上升沿、下降沿、高电平、低电平四种中断方式。d p o 系统中键盘命令是通过串口由单片机端传送 到a r m 控制端的，为了及时响应键盘的命令，a r m 核需要支持串口中断。另外，采集数据传输使用 的d m a 方式中同样需要使用d m a 中断。 6 ) l c d 控制器，有些a r m 芯片内置l c d 控制器，有的甚至内置6 4 l ( 彩色1 r i 呵l c d 控制器。在设 计p d a 和手持式显示记录设备时，选用内置l c d 控制器的a r m 芯片如s 3 c 2 4 l o x 较为适宜。在我们 的d p o 系统中显示是必要的一部分，因此选择的a r m 核必须能很好的支持种类相对较多的l c d 显示 器。 7 ) 扩展总线，大部分a r m 芯片具有外部s d r a m 和s r a m 扩展接口。不同的a r m 芯片可以扩展 的芯片数量即片选线数量不同，外部数据总线有8 位、1 6 位或3 2 位。 8 ) u a r t ，几乎所有的a r m 芯片都具有1 3 个u a r t 接口，可以用于和p c 机通讯或用m u l t i i c e 进行调试。一般的a r m 芯片通讯波特率为l1 5 2 0 0 b p s ，少数专为蓝牙技术应用设计的a r m 芯片的 u a r t 通讯波特率可以达到9 2 0 k b p s ，如l i n k u p 公司的1 7 2 0 5 。 9 ) d m a 控制器，有蝼_ a r m 芯片内部集成有d m a 控制器，可以和硬盘等外部设备高速交换数 据，同时减少数据交换时对c p u 资源的占用 1 0 ) 价格，价格因素也是产品开发中一个重要的考虑因素。选择一个性价比高的处理器对降低 产品成本有着重要的作用。 基于上述考虑因素，d p o 监控系统采用了三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 x ( a r m 9 系列) 作为监控处理器。 图2 - 2 给出j $ 3 c 2 4 1 0 的内部结构图【9 】： 8 第二章d p o 系统总体方案设计以及监控系统设计方案 l c d毛- c d a牟令 b u sc o n t c o n t d m _ aa r n m r t o e c o d e h u s 8 h o s t n t舒 84 t n t e m j p tc o o t 、吖 e x t m u t e r4 奎8夺令 p o w e r 、广吖 m 蕾豫掣玳糖瞅 n a n dc o n t ， n n df l a s hb o o t s 辱令 m e 删c o n t 1 l o a d e rs r m m i o r t s d r a m l 臼淑獬严k b r i d g e & d m a ( 4 c h ) 图2 - 2 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构 2 2 2 监控系统的主要任务及硬件架构 监控与处理模块的主要任务包括： 响应面板操作，实现人机交互： 控制模拟通道以及数据采集、存储； 读取波形数据并送到l c d 进行显示； 存储参考波形； 自动参数测量，光标测量，波形分析： 通信接口( 网口、u s b 口、v g a 接口、g p i b 接口) ； 为了完成数据的高速获取、显示功能、存储功能、图形菜单操作功能以及与p c 机及其他外设 的数据通信功能，以$ 3 c 2 4 1 0 ( a r m ) 处理器为核心的监控系统的硬件方案设计如下 9 东南大学硕士学位论文 图2 - 3 监控系统的硬件架构图 在图2 - 3 中有网格的部分为后期产品要添加的功能模块，在一期产品中没有实现。接口都利用 了$ 3 c 2 4 1 0 提供的接口，充分利用了$ 3 c 2 4 1 0 丰富的外围接口资源。 面板的按键命令主要通过串口传递给$ 3 c 2 4 1 0 。d p o 系统中为了更好的实时响应按键处理，键 盘管理由单片机专门完成，然后将接收到的键盘码通过串口发送给$ 3 c 2 4 1 0 ，由$ 3 c 2 4 1 0 做相应的 任务调度。对模拟通道的控制也是通过串口来实现的，串口的波特率均为1 1 5 2 0 0 ，满足d p o 系统 的需要。 监控系统最重要的任务之一是波形数据的实时显示和刷新。波形数据的传输主要通过d m a 方 式传送到m c u ，然后送到l c d 显示。 采集存储模块由f p g a 负责，与m c u ( s 3 c 2 4 1 0 ) 的通信通过s p i 接口来实现。 e e r o m 用来存放当前用户的各种参数设置，利用$ 3 c 2 4 1 0 的i i c 接口 通信接口，像u s b 、网口、v g a 等d p o 系统应用接口，限于篇幅和课题的主要任务，在论文 中没有给出详细的介绍。 2 2 3 监控系统的存储设计 在监控模块中存储主要包含两部分：程序存储器和数据存储器。系统存储器主要用来存储系统 代码和用户代码，而数据存储器主要是用来存储一些用户的设置参数，另外波形数据存储也需要考 虑 1 0 第二章d p o 系统总体方案设计以及监控系统设计方案 $ 3 c 2 4 1 0 内部集成了存储器管理控制器( m e m o r yc o n t r o l l e r ) ，用户可以设置大小端模式，可以管 理8 个b a n k 的地址空间，每个b a n k 有1 2 8 m b y t e s ，除了b a n k 0 只能按照1 6 3 2 b i t 进行寻址，其他7 个b a n k 都可以用8 1 6 3 2 b i t 进行寻址，并且每个b a n k 的访问周期是可编程的。每个b a n k 可以支持 的存储器类型以及起始地址如图2 - 3 所示f f ，b a n k 空间的选择可以用n g c s n 引脚来选择。其中b a n k 6 和b a n k 7 的地址空间可设置为2 的幂次的大小，但b a n k 6 和b a n k 7 的地址空间大小必须是相等的， 且b a n k 6 的结束地址必须是b a n k 7 的起始地址，这些信息在后面s d r a m 的设计时都需要用到。由 图2 4 知8 个地址空间中，6 个地址空间用于r o m ，s r a m 等存储器，2 个可用于r o m ，s r a m ， s d r a m 等存储器。并且所有存储空间的访问周期都可以通过编程配置，这样就可以充分灵活的配 置访问周期，实现系统效率最大化。r o m ，s d r a m 分别分配在n g c s 0 、n g c s 6 上，其它外设的寻 址通过内部寄存器来实现。 2 2 3 1 系统的r o m 存储设计 o h ：哪- n o t u 喇 s f r a 脯 n o t u 喇 s r o m ，s d r a 螺 k 刎鲋啪，踟8 门钏8 j ( n g c s 7 ) 3 2 m b 6 4 m b 1 2 8 m b1 胁幻 s r o m s d 卧螺2 m b 4 m 捌 s m b 1 6 m bf 讪 n g c s 6 )，3 2 b 煽4 砌1 2 8 m b 。 s r o m 12 ；姗 ( n g c s s ) s r o m j ( n g c s 4 ) 1 2 8 m b1 g b 1r h a d d f 碡措：镯 s r o u l a c c e s s b l e 1 2 8 m b r e g 轴e ( n g c s 3 ) j 鬟硼 ( n g c s 2 ) 0 b - 船 1 s r o m ( n g c s l ) 1 盈i 嘲 i b o o ti n t e r n a l 1 a ，啪 i s r a m l 4 k s ) 岫籼b h b e e t 舶嗍 图2 4 $ 3 c 2 4 1 0 的存储空间管理 在嵌入式系统中通常都采用闪存来做系统的存储器。目前，市场上主要有两种闪存，一种是 n a n d f l a s h ，一种是n o r f l a s h 。这两种f l a s h 的对比如下： 1 ) 接口对比 n o r f l a s h 带有通用的s r a m 接口，可以轻松地挂接在c p u 的地址以及数据总线上，对c p u 的 接口要求低。n o r f l a s h 的特点是芯片内执行皿e x 。c i l t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以直接在f l a s h 东南大学硕士学位论文 闪存内运行，不必再把代码读到系统r a m 中。如u b o o t 中的t o 段可以直接在n o r f l a s h 上运行，只 需要把r w 和五段拷贝到r a m 中运行即可 n a n d f l a s h 器件使用i o 口来串行地存取数据，8 个引脚用来传送控制、地址和数据信息。另外 由于n a n d f l a s h 没有挂接在地址总线上，所以如果想用n a n d f l a s h 作为系统的启动盘，需要c p u 具 备特殊的功能。$ 3 c 2 4 1 0 在被选择为n a n d f l a s h 启动方式时会在上电时自动读取n a n d f l a s h 的4 k 会 被映射到地址为0 的内部s r a m 中 2 ) 容量和成本对比 n o r f l a s h 的容量比n a n d f l a s h 要小，一般在l